一种用于判别输尿管与血管的装置及方法与流程

本发明涉及光学识别技术领域，具体涉及一种用于判别输尿管与血管的装置及方法。

背景技术：

在临床外科手术中，尤其是腹部或盆腔手术中，通常需要对手术中的血管进行操作，但由于输尿管和血管表面均覆盖有脂肪等组织成分，组织粘连比较重，导致手术医师无法正常解剖输尿管、血管及周围组织的关系，也有可能由于手术医师的经验不足，对正常输尿管、血管的走向不够熟悉了解等多种原因，会造成输尿管误伤甚至坏死，一旦输尿管受到损伤将会引起多种并发症，例如泌尿生殖器会形成瘘管、肾积水和肾功能损害甚至引起急性肾功能衰竭等危险的情况；并且输尿管损伤在手术过程中并不罕见，因此准确识别输尿管和血管，规避手术中输尿管的误伤是进行正确高效的手术操作的重要环节。

在临床操作过程中，外科医生常常凭借病人手术之前检查所得的影像相关信息结合临床实践经验，通过触摸及按压等操作，观察管道内液体的流动情况，以此区分输尿管和血管，但凭借经验判定输尿管和血管必定存在风险；且该传统的方法并不能清晰准确的识别管道类型，无法清楚地知道是血管还是输尿管，存在一定的风险。因此，如何快速、准确的判定输尿管和血管是亟需解决的技术问题。

技术实现要素：

本发明为解决现有技术中无法对人体内输尿管和血管快速准确的判断的问题，提供一种用于判别输尿管与血管的装置及方法，实现了对人体组织内输尿管和血管的有效区别。

在此处应当对本发明一种用于判别输尿管与血管的装置及方法做出解释说明，本发明的装置及方法是为了获得中间结果的信息，并不是直接获得诊断结果或健康状况，因此属于发明专利保护的客体。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种用于判别输尿管与血管的装置，包括手柄和设置在手柄前端的夹体，所述夹体包括夹柄和夹头，所述夹头呈弧形，夹头外侧的上下处分别设置有夹柄，每个所述夹柄呈过渡圆弧形；夹柄与手柄之间斜向设置有连接杆，连接杆的一端与手柄固定连接、另一端与夹柄铰接；

所述夹头内侧上下对应设置有与夹头贴合的弧形橡胶垫，所述橡胶垫内分别对应设置有探测单元，两个橡胶垫之间用于夹住被测管；

所述手柄上设置有显示屏和开关，手柄内设置有腔体，腔体内设置有电源和处理单元；

探测单元用于检测被测管的信息，并将信息传送至处理单元，处理单元对信息处理后判别夹头内夹取的被测管是输尿管或血管，并将判别结果显示在显示屏上。

进一步地，所述探测单元包括第一探测单元和第二探测单元，第一探测单元和第二探测单元对应设置在两个橡胶垫上；所述第一探测单元包括第一光源和第一光电探测器，所述第二探测单元包括第二光源和第二光电探测器；所述第一光源与第二光电探测器对应设置，所述第二光源与第一光电探测器对应设置。

进一步地，所述第一光源和第二光源均包括波长分别为λ1和λ2的两个led光源，两个led光源与其同侧的光电探测器的直线距离分别为r1和r2；

所述λ1＝590nm，λ2＝810nm；所述r1＝r2。

进一步地，所述处理单元包括控制器和处理电路，所述控制器采用at89c51单片机，所述处理电路包括iv转换及运放电路、ad转换电路和驱动电路；

所述驱动电路包括缓冲器uln2003，缓冲器的输入端分别连接单片机的p2.0、p2.1和p2.2接口，输出端分别连接第一光源和第二光源，用于驱动第一光源和第二光源按照设定的次序发光。

进一步地，所述第一光电探测器和第二光电探测器的输出端分别连接有iv转换及运放电路，所述iv转换及运放电路包括逐级连接的第一运算放大器和第二运算放大器，所述第一运算放大器的反相输入端通过第一电阻连接第一或第二光电探测器的输出端，输出端通过第二电阻连接第二运算放大器的反相输入端；

所述ad转换电路包括ad转换芯片，所述ad转换芯片的输入端分别连接第二运算放大器的输出端，ad转换芯片的输出端连接单片机的p0.4接口。

进一步地，所述电源为处理单元和探测单元供电；所述显示屏与单片机连接。

基于一种用于判别输尿管与血管的装置的一种用于判别输尿管与血管的方法，包括以下步骤：

步骤1：用夹头夹住被测管；

步骤2：单片机通过驱动电路控制第一光源依次发出波长为λ1和λ2的入射光，入射光的光强分别为i01和i02，且有：

其中，a为常数；

步骤3：第一光电探测器探测到波长为λ1和λ2的反射光的光强ie1和ie2；其光路分别为l1和l2，且：

其中，b为常数；

第二光电探测器探测到波长为λ1和λ2的透射光的光强为ip1和ip2，其光路分别为l3和l4，且l3＝l4＝l；

步骤4：上述得到的光强通过iv转换及运放电路和ad转换电路，将光强信号最终转换成数字信号发送至单片机；

步骤5：单片机对光强ie1、ie2及ip1、ip2进行分析处理，判断被测管是血管或输尿管；

步骤6：校准；单片机控制通过驱动电路控制第二光源依次发出波长为λ1和λ2的入射光，第一光电探测器探测到波长为λ1和λ2的透射光的光强ie3和ie4；第二光电探测器探测到波长为λ1和λ2的反射光的光强ip3和ip4；并将ie3、ie4及ip3、ip4发送至单片机进行分析处理，若被测管的判断结果与步骤5的判断结果一致，则将判断结果显示在显示屏上，若结果不一致，则返回步骤1重新判别。

进一步地，所述步骤3中光强ie1和ie2由以下步骤得出：

根据朗伯比尔定律以及光散射理论对透射式和反射式两种测量方式的光学原理得出：当一束波长为λ的单色光照射某物质的溶液时，其出射光强i与入射光强i0之间有如下关系：

i＝i0·e^-εcl(3.2)

其中，i为出射光强，i0为入射光强，ε为吸光系数，c为吸光物质的浓度，l为光路长度；第一探测器探测到的光强ie1和ie2分别为：

其中，为在波长为λ1的入射光下被测管内人体的含氧血红蛋白的吸光系数，为被测管内人体含氧血红蛋白浓度，为在波长为λ1的入射光下被测管内还原血红蛋白的吸光系数，ch为被测管内还原血红蛋白浓度；为在波长为λ1的入射光下被测管内水分的吸光系数，为被测管内水分浓度，为在波长为λ1的入射光下皮肤、肌肉、静脉血以及其他组织的吸光率；

其中，为在波长为λ2的入射光下被测管内人体的含氧血红蛋白的吸光系数，为在波长为λ2的入射光下被测管内还原血红蛋白的吸光系数，为在波长为λ2的入射光下被测管内水分的吸光系数，为在波长为λ2的入射光下皮肤、肌肉、静脉血以及其他组织的吸光率；

第二光电探测器探测到光强ip1和ip2分别为：

进一步地，所述步骤5具体包括：单片机对光强ie1、ie2及ip1、ip2进行分析处理，若同时满足和时，则判定被测管是血管；若同时满足和时，则判定被测管是输尿管。

进一步地，所述步骤6具体包括：

将光强ie3、ie4及ip3、ip4发送至单片机进行分析处理，若同时满足和时，则判定被测管是血管；若同时满足和时，则判定被测管是输尿管；

若该步骤的判定结果与步骤5的判定结果一致时，则单片机控制在显示屏显示“尿”或“血”的字样，否则返回步骤1重新探测判断。

通过上述技术方案，本发明的有益效果为：

本发明的装置采用手持式结构轻巧，易操作，产品体积小；由于腹部和盆腔手术较为常见，本发明所设计的测量产品应用较为频繁，且该控制电路同时具备透射式和反射式两种测试功能，有效的减小体积，降低成本，方便大量生产；采用的弧形夹结构能够更好的贴合待测管道，提高了信息采集的准确度，能够快速准确的判断被测管道的类型，在临床上有很大的应用前景。

本发明针对的血管对象无需区分动静脉血管，由于动脉和静脉中所含有的含氧血红蛋白和还原血红蛋白的比例不同，因此对大部分波长的光的吸收程度不同，检测到的出射光强也不同，选用波长为590nm和810nm的光源是因为在此两个波长的光的照射下，含氧血红蛋白和还原血红蛋白对光的吸收系数几乎相等，其吸光度的差值均可忽略不计，因此不用区分动静脉，适用性更强。

本发明的算法依据朗伯比尔定律展开推导，有着坚实的理论基础，通过公式推导出的阈值更加准确，时效性强：利用光学技术实现对血管类型的判别，测量时间短，得出判断结果不超过3s。

本发明测量精准可靠；涉及透射式和反射式两种测量方式的测量原理以及控制电路，通过两种测量方式的对比测量，减小了测量误差，降低了误判的几率，以保证能够更加准确判断管道类型，减少医疗事故的发生。

附图说明

图1是本发明一种用于判别输尿管与血管的装置的结构示意图。

图2是本发明一种用于判别输尿管与血管的装置的探测单元的位置示意图。

图3是本发明一种用于判别输尿管与血管的装置的处理单元和探测单元的结构框图。

图4是本发明一种用于判别输尿管与血管的装置的单片机的电路原理图。

图5是本发明一种用于判别输尿管与血管的装置的iv转换及运放电路的电路原理图之一。

图6是本发明一种用于判别输尿管与血管的装置的iv转换及运放电路的电路原理图之二。

图7是本发明一种用于判别输尿管与血管的装置的ad转换电路的电路原理图。

图8是本发明实施例2中几种物质对两种波长的光源的吸光度趋势图。

附图中标号为：1为手柄，2为夹柄，3为夹头，4为橡胶垫，5为第一探测单元，6为第二探测单元，7为显示屏，8为开关，9为连接杆，10为第一光源，11为第一光电探测器，12为第二光源，13为第二光电探测器，14为驱动电路，15为电源，16为控制器，17为iv转换及运放电路，18为ad转换电路。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明：

实施例1：如图1～图7所示，一种用于判别输尿管与血管的装置，包括手柄1和设置在手柄1前端的夹体，所述夹体包括夹柄2和夹头3，所述夹头3呈弧形，夹头3外侧的上下处分别设置有夹柄2，每个所述夹柄2呈过渡圆弧形；夹柄2与手柄1之间斜向设置有连接杆9，连接杆9的一端与手柄1固定连接、另一端与夹柄2铰接；

所述夹头3内侧上下对应设置有与夹头3贴合的弧形橡胶垫4，所述橡胶垫4内分别对应设置有探测单元，两个橡胶垫4之间用于夹住被测管；

所述手柄1上设置有显示屏7和开关8，手柄1内设置有腔体，腔体内设置有电源15和处理单元；

探测单元用于检测被测管的信息，并将信息传送至处理单元，处理单元对信息处理后判别夹头3内夹取的被测管是输尿管或血管，并将判别结果显示在显示屏7上。

作为一种优选地实施方式，如图2所示，所述探测单元包括第一探测单元5和第二探测单元6，第一探测单元5和第二探测单元6对应设置在两个橡胶垫4上；所述第一探测单元5包括第一光源10和第一光电探测器11，所述第二探测单元6包括第二光源12和第二光电探测器13；所述第一光源10与第二光电探测器13对应设置，所述第二光源12与第一光电探测器11对应设置。

具体的，所述第一光源10和第二光源12均包括波长分别为λ1和λ2的两个led光源，两个led光源与其同侧的光电探测器的直线距离分别为r1和r2；

所述λ1＝590nm，λ2＝810nm；所述r1＝r2。

如图3所示，所述处理单元包括控制器16和处理电路，所述控制器16采用at89c51单片机，所述单片机连接有晶振电路和复位电路，所述晶振电路采用的12mhz的晶振；所述复位电路连接有按键s和电容c3，电容c3的容量为100pf；所述处理电路包括iv转换及运放电路17、ad转换电路18和驱动电路14。

具体的，如图4所示，所述驱动电路14包括缓冲器uln2003，缓冲器的输入端分别连接单片机的p2.0、p2.1和p2.2接口，输出端分别连接第一光源10和第二光源12，用于驱动第一光源10和第二光源12按照设定的次序发光。在本实施例中，第一光电探测器11和第一光源10采用传感器dcm08，第二光电探测器13和第二光源12也采用传感器dcm08，传感器dcm08集成可以发射波长为590、660、810、905nm光的四个led光源，同时集成一块光电探测器；其中四个led共阳极设计，本发明只采用其中的两个led光源，两个led光源4的波长λ1和λ2分别为590和810nm。缓冲器的输出端1c和2c接口分别通过电阻r3和电阻r4连接第一探测单元5的传感器dcm08的590c端口和810c端口；电阻r3和电阻r4的阻值为1kω；缓冲器的输出端3c和4c接口分别通过电阻r5和电阻r6连接第二探测单元6的传感器dcm08的590c端口和810c端口；电阻r5和电阻r6的阻值为1kω。

作为一种优选地实施方式，所述第一光电探测器11和第二光电探测器13的输出端分别连接有iv转换及运放电路17，所述iv转换及运放电路17包括逐级连接的第一运算放大器和第二运算放大器，第一运算放大器和第二运算放大器均采用的ad626型放大器；所述第一运算放大器的反相输入端通过第一电阻连接第一光电探测器11或第二光电探测器13的输出端，输出端通过第二电阻连接第二运算放大器的反相输入端；具体的，如图5和图6所示，图5为第一光电探测器11的输出端连接的iv转换及运放电路17，第一运算放大器和第二运算放大器分别为u7和u8，第一电阻为r7，第二电阻为r10，电阻r7和r10的阻值均为1kω；第二运算放大器u8的输出端连接ad转换芯片的输入端；图6为第二光电探测器13的输出端连接的iv转换及运放电路17，第一运算放大器和第二运算放大器分别为u9和u10，第一电阻为r18，第二电阻为r15，电阻r18和r15的阻值均为1kω；第二运算放大器u10的输出端连接ad转换芯片的输入端。

所述ad转换电路18包括ad转换芯片，所述ad转换芯片的输入端分别连接第二运算放大器的输出端，ad转换芯片的输出端连接单片机的p0.4接口。具体的，如图7所示，所述ad转换芯片为adc0809型芯片，ad转换芯片的st、eoc、oe和clk端口分别连接单片机的p0.0～p0.3端口，ad转换芯片的d0～d7端口分别连接单片机的p1.0～p1.7端口。

所述电源15为处理单元和探测单元供电；所述显示屏7与单片机连接。具体的，所述电源15采用可充电式纽扣电池ml2016，为装置提供5v电源电压，在手柄1端部留设充电口即可；所述显示屏7采用单色0.48oled显示屏，显示屏7与单片机的p3.6～p3.7，p2.6～p2.7端口连接。

实施例2：如图8所示，基于一种用于判别输尿管与血管的装置的一种用于判别输尿管与血管的方法，包括以下步骤：

步骤1：用夹头3夹住被测管；具体的，手捏住夹柄2并按压，使夹头3张开，然后夹住被测管，之后松手，使被测管的侧壁与夹头3内的橡胶垫4贴合，以便探测单元对被测管进行精准探测，然后打开开关8进行探测。

步骤2：单片机通过驱动电路14控制第一光源10依次发出波长为λ1和λ2的入射光，入射光的光强分别为i01和i02，且有：

其中，a为常数。

步骤3：第一光电探测器11探测到波长为λ1和λ2的反射光的光强ie1和ie2；其光路分别为l1和l2，且：

其中，b为常数；

所述步骤3中光强ie1和ie2由以下步骤得出：

根据朗伯比尔定律以及光散射理论对透射式和反射式两种测量方式的光学原理得出：当一束波长为λ的单色光照射某物质的溶液时，其出射光强i与入射光强i0之间有如下关系：

i＝i0·e^-εcl(3.2)

其中，i为出射光强，i0为入射光强，ε为吸光系数，c为吸光物质的浓度，l为光路长度；第一探测器探测到的光强ie1和ie2分别为：

其中，为在波长为λ1的入射光下被测管内人体的含氧血红蛋白的吸光系数，为被测管内人体含氧血红蛋白浓度，为在波长为λ1的入射光下被测管内还原血红蛋白的吸光系数，ch为被测管内还原血红蛋白浓度；为在波长为λ1的入射光下被测管内水分的吸光系数，为被测管内水分浓度，为在波长为λ1的入射光下皮肤、肌肉、静脉血以及其他组织的吸光率；

其中，为在波长为λ2的入射光下被测管内人体的含氧血红蛋白的吸光系数，为在波长为λ2的入射光下被测管内还原血红蛋白的吸光系数，为在波长为λ2的入射光下被测管内水分的吸光系数，为在波长为λ2的入射光下皮肤、肌肉、静脉血以及其他组织的吸光率；

第二光电探测器13探测到波长为λ1和λ2的透射光的光强为ip1和ip2，其光路分别为l3和l4，且l3＝l4＝l；

第二光电探测器13探测到光强ip1和ip2分别为：

步骤4：上述得到的光强通过iv转换及运放电路17和ad转换电路18，将光强信号最终转换成数字信号发送至单片机。

步骤5：单片机对光强ie1、ie2及ip1、ip2进行分析处理，判断被测管是血管或输尿管；

所述步骤5具体包括：单片机对光强ie1、ie2及ip1、ip2进行分析处理，若同时满足和时，则判定被测管是血管；若同时满足和时，则判定被测管是输尿管。

下面详细说明如何判定是血管和输尿管：

a)对于反射式测量来说，根据公式(3.1)可知，其光路l1和l2存在一定的比例关系，根据人体组织的montecarlo模拟得到反射光的光路长度l与光源-光电探测器之间的距离r满足的线性关系：

l＝pdpf·r(3.7)

式中，pdpf为差分路径因子，与组织厚度d有关，且满足公式(3.8)：

pdpf＝3.9788d(0＜d＜8mm)(3.8)

由于血管或输尿管的厚度均小于8mm，且r1＝r2，得到下式：

由式(3.9)可得出，l1＝l2，b＝1；

之后对由公式(3.3)和(3.4)作比值得出：

当被测管为血管时，对于波长为λ1＝590nm的光源照射血管时，血管中含氧血红蛋白的吸光系数还原血红蛋白的吸光系数而水分的吸光系数接近0，即对于波长为λ1＝810nm的光源照射血管时，血管中含氧血红蛋白的吸光系数还原血红蛋白的吸光系数而水在该波长下的吸光系数较小，与含氧血红蛋白和还原血红蛋白的吸光系数相比可以忽略不计；其吸光度的趋势可参考图8所示；吸光度即为吸光系数；图中，o2是含氧血红蛋白随波长对应的吸光系数曲线，h是还原血红蛋白随波长对应的吸光系数曲线，h2o是水分随波长对应的吸光系数曲线；将上述吸光系数代入公式(3.10)得到：

当被测管为输尿管时，输尿管中主要吸光物质为水分，因此，含氧血红蛋白的吸光系数还原血红蛋白的吸光系数对于波长为λ1＝590nm的光源照射输尿管时，参考图8可知，h2o的吸光系数因此代入公式(3.10)得出：

b)对于透射式测量来说；将公式(3.5)和(3.6)作比值得到下式：

当被测管为血管时，对于波长为λ1＝590nm的光源照射血管时，血管中含氧血红蛋白的吸光系数还原血红蛋白的吸光系数而水分的吸光系数接近0，即对于波长为λ1＝810nm的光源照射血管时，血管中含氧血红蛋白的吸光系数还原血红蛋白的吸光系数而水在该波长下的吸光系数较小，与含氧血红蛋白和还原血红蛋白的吸光系数相比可以忽略不计；其吸光度的趋势可参考图8所示；将上述吸光系数代入公式(3.13)得到：

当被测管为输尿管时，输尿管中主要吸光物质为水分，因此，含氧血红蛋白的吸光系数还原血红蛋白的吸光系数对于波长为λ1＝590nm的光源照射输尿管时，参考图8可知，h2o的吸光系数因此代入公式(3.13)得出：

综上可得，不论是采用反射式测量和透射式测量，由公式(3.11)、(3.14)可知，若被测管为血管均满足和由公式(3.12)、(3.15)可知，若被测管为输尿管均满足和因此，将其作为判别血管和输尿管的条件是准确且可行的。

步骤6：校准；单片机控制通过驱动电路14控制第二光源12依次发出波长为λ1和λ2的入射光，第一光电探测器11探测到波长为λ1和λ2的透射光的光强ie3和ie4；第二光电探测器13探测到波长为λ1和λ2的反射光的光强ip3和ip4；并将ie3、ie4及ip3、ip4发送至单片机进行分析处理，若被测管的判断结果与步骤5的判断结果一致，则将判断结果显示在显示屏7上，若结果不一致，则返回步骤1重新判别。

所述步骤6具体包括：

将光强ie3、ie4及ip3、ip4发送至单片机进行分析处理，若同时满足和时，则判定被测管是血管；若同时满足和时，则判定被测管是输尿管；

若该步骤的判定结果与步骤5的判定结果一致时，则单片机控制在显示屏7显示“尿”或“血”的字样，否则返回步骤1重新探测判断；需要说明的是，增加此校准步骤，防止只有第一光源10进行判别的时候由于光源的损坏等客观原因造成的误判，因此增设第二光源12并进行校准，使该装置的判别结果更加准确；校准过程的探测步骤同第一光源10的探测步骤完全相同。

以上所述之实施例，只是本发明的较佳实施例而已，并非限制本发明的实施范围，故凡依本发明专利范围所述的构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，均应包括于本发明申请专利范围内。